科技原理 手機鋰離子電池是如何工作的？它的原理是什麼？

你每次使用智能手機的那一秒鐘,內部就會發生一次化學反應,就像小蘇打火山爆發一樣。 看起來像一個沒有太多移動部件的堅固設備,但這是真的。 在電池內部,化學反應在持續運行,沒有它,你的手機就無法運作,而這我們都很熟悉。 讓我們來研究一下鋰離子電池。 它是如何爲你的手機供電的?充電時發生了什麼? 還有大家都想知道的,爲什麼電池越來越不耐用? 爲了回答這些問題,我們打開電池,看看它的內部。 首先,電池是如何爲你的手機供電的? 我們從已知的地方開始。 所有電池都有正極和負極,給我們的便攜設備提供電力或電流。 電流本質上就是電子的流動。 在手機中,帶負電的電子從負極流出,穿過揚聲器、顯示屏等部件,最終流向正極。 那電子從哪裏來? 這是一塊鋰離子電池,電子來自鋰元素。 在負極,也就是陽極,anode中,鋰被儲存在石墨碳層之間,類似於你鉛筆裏的石墨。 石墨具有一種巧妙的晶體結構,由多個平面層組成,允許鋰原子嵌入每一層之間。 這個過程的專業術語叫插層intercalation,石墨就像一個穩定的儲存倉,專門存放鋰原子。 接下來,鋰有一個與生俱來的屬性,它不喜歡它最外層的那個電子,總想把它甩掉。 當負極和正極之間有一個可通的路徑時,鋰原子就會失去這個電子,電子朝正極流動。 同時,鋰離開石墨失去一個電子,變成帶正電的鋰離子,加一。 順便說一句,離子就是丟失或獲得電子後帶電的原子。 當很多鋰原子同時離開石墨時,就形成了電子的流動。 現在我們跳到正極,也就是陰極,cathode。 在這裏,骨cobalt失去了部分電子,被氧氣吸走,因此帶正電變成加四價的骨。 所以它很渴望重新獲得電子。 當我們將負極和正極連接到手機時,電子從想失去電子的鋰流出,經過手機內部的電路和元件流向渴望電子的骨。 但我們遇到一個小問題,隨着電子從負極流向正極,骨那一側的電荷越來越負,而鋰那邊則越來越正。 雖然電子願意這樣流動,但它們也不喜歡流向一個越來越負的區域。 因爲相同電荷相斥,異性電荷相吸。 爲了解決這個問題,我們給這些正電的鋰離子剛離開石墨的一條路,讓它們也能流向正極。 這條路徑就是電解液electrolyte,它允許鋰離子從一邊遷移到另一邊,但不讓電子通過。 當鋰離子到達骨那邊時,會再次插層嵌入到骨和氧之間,形成氧化骨鋰,lithium cobalt oxide。 注意,這時候鋰並沒有重新獲得那個電子,那個電子早就給了骨,它只是幫忙中和電荷。 快速回顧一下,這是一塊滿電的電池。 白天使用過程中,鋰原子離開石墨層,失去電子,變成鋰離子。 電子從負極流向手機內部,再到正極,與骨結合。 與此同時,鋰離子穿過電解液,幫助平衡電荷,維持反應繼續進行。 這是這整個過程的化學反應方程式。 結果是,到晚上幾乎所有的鋰都離開了石墨,跑到骨那邊,電池空了。 現在我們來充電。插上手機,USB充電器反向施加更大的電壓,推動電子向相反方向流動。 電子從骨那邊被抽走,讓骨恢復到加四價,鋰離子也被趕出來。 在另一邊,電子被壓到石墨裏,引導鋰離子再次穿過電解液,回到石墨層中。 你看,這正好與之前的反應相反,這就是爲什麼這種電池可以反覆充電。 鋰和它的電子使用手機時往一個方向走,充電時走另一個方向。 我們回放一下加點細節。 首先,這兩邊正負極不能接觸,如果陽極和陰極接觸到,且石墨中還有鋰,反應會迅速加速,最終導致火災或爆炸。 因此,中間放置一個不導電半透的隔膜,它允許鋰離子通過,卻阻止電子通過。 電解液是液體,擋不住電子。 第二,石墨和氧化骨並不是好導體,不能很好的傳輸電子。 因此,我們給石墨那邊加一層導電銅箔,給骨那邊加一層鋁箔,這就是所謂的急流體。 第三,我們動畫中顯示的是100%的鋰在兩極之間來回移動。 但實際上,無論是充滿電還是放完電,總有一部分鋰滯留在陽極、陰極或電解液中。 第四,爲了最大化電池容量並適配手機尺寸,這些層都會被摺疊卷繞,裝進一個長方體的殼子裏。 第五,也是最後一點,爲了調節電流流動,在電池頂部還會加一個小電路板,它可以防止過沖或損壞電池。 最後一個問題,爲什麼你的電池使用時間越來越短? 有幾個原因。 第一,有石鋰和電子會與電解液中的有機溶劑反應,形成固態電解質界面SEI。 SEI會不可逆地消耗鋰和電解液,從而降低電池總容量。 第二,如果你一直把電池用到完全沒電,就會讓太多鋰停留在骨那邊,這會導致生成氧化鋰和氧化亞骨。 這些產物無法還原,會減少鋰和骨的可用量。 所以建議你不要等到電池完全沒電再充電,最好在30%或40%時就開始充。 以上就是本期視頻的全部內容了。 如果你喜歡這期視頻的話,別忘了點贊收藏關注三連轉發支持一下,這會對我們有非常大的幫助。